STAR-CCM+新一代CFD软件及优势介绍

1、CAE CAE 成本节约和技术革新的关键技术成本节约和技术革新的关键技术 STAR-CCM+: 新一代新一代CFD软件及优势介绍软件及优势介绍 CDAJ-China Tech. Department Liu Jun -2- CAECAE部部门门之常之常规现规现象象 CAE工程师疲于应付各种问题 ！ 服务了所有人，可能大家还不一定满意 ！ CAE部部门门 各各项项目目组组 实验实验部部门门 整整车车部部 发动发动机部机部 -3- 问题问题？ 1. CAE/CFD领导，怎样才能最大发挥CAE部门作用？ 2. CAE/CFD工程师，怎样安排您的工作，才能最大程度体现出 您的价值？ -4- 建建议议C

2、AECAE部部门门 1. 成熟的模拟，纳入产品开发流程 a.制定好在各阶段进行的模拟内容（概念设计阶段，详细设计阶段，样机验 证，生产阶段），前期CAE引导设计，后期CAE验证设计 b.如果有些可能做成流程化的(如果A,得到B),开发出标准CAE流程, 供所有工程师使用。 c.甚至对于有些成熟的模拟，可转给设计工程师进行使用，扩大 CAE的使用范围，CAE工程师负责更新和支持。 2. 对于比较复杂的模拟，比如对某些现象探讨(燃烧特性），组成先 行技术模拟小组，进行探索，目的在于创新 -5- CAECAE工程工程师师而言而言 1. 需要从无休止的前后处理中解放出来。 2.时间多用在后面： 对结果

3、的分析，评价，已经提出改进的办法。 设计设计CAD CAE工程工程师师 表面表面 准准备备 网格网格设设定定 计计算算 后后处处 理理 -6- 您的需要您的需要 工程师工程师 需要好的CAE软件帮助工程师来缩短模拟人工投入时间。 需要好的CAE软件，具备集成功能，将常规分析流程化。 (基于软件的在二次开发，或者CAE供应商为客户定制） 对于CFD: STAR-CCM+ 做为下一代CFD软件，具有集成性（缩短模拟前期投入），自 动化（二次开发），技术革新的CFD软件 CAECAE部门部门 需要好的CAE供应商来你一起确定流程 （怎样分析，怎样评价结果，怎样提供改进） 需要CAE供应商来給你做流程

4、 需要CAE来和您一起探讨复杂的模拟(软件功能，复杂物理现象） 建议建立CAE平台 （知识积累，流程管理等） CDAJCDAJ的技术部的技术部 我们的软件我们的软件 -7- Legacy product upon which CD-adapco has built its expertise and know-how 单纯的热流单纯的热流 问题问题 大规模大规模 复杂几何复杂几何 耦合解析耦合解析 设计工程师设计工程师专业专业CAECAE分析人员分析人员 Easy to use, flexible, robust and accurate PLM process integrated, Wha

5、t-if studies 复杂的物理复杂的物理 现象现象 CD-adapcoCD-adapco多年多年 积累的高端产品积累的高端产品 易用易用 效率高效率高 稳定性好稳定性好 精度高精度高 CAD/PLM CAD/PLM 流程工具流程工具 -8- STAR-CCM+ 工学的 多領 域物理問題対象 汎用解析 强力推荐强力推荐 工程领域专用热流工程领域专用热流 体解析工具体解析工具 CAD/PLM統合型熱流体 解析 CAD/PLM 热流体解 析工具 series 筒 内計算 发动机缸内发动机缸内 等深度分析等深度分析 1.1.内燃机缸内模拟内燃机缸内模拟 2.2. 压缩机内流模拟压缩机内流模拟 -

6、9- STAR-CCM+ STAR-CCM+ 独有特点独有特点 易学易用 集成技术（5） 开放性 自动化 大规模能力 -10- 树状结构的菜单系统 智能化的模型设定向导智能化的模型设定向导 1.1. 从从CADCAD数据的导入，模型建立，求解到后处理数据的导入，模型建立，求解到后处理 仅用鼠标点击，即可仅用鼠标点击，即可 完成完成 简单，易学易用简单，易学易用 -11- 支持多种格式数据的直接读入 CATIA V5, UG NX, Pro/E, SolidWorks Autodesk Inventor, VDA, Parasolid, STEP, IGES STL, NASTRAN, PATR

7、AN FELISA Front Surface, dbs 表面网格 准备 体网格 生成 解析条件 设定 求解 结果处理 -12- CAD数据的无缝链接 个工具全部处理 高重复性和适用性 表面网表面网 格准备格准备 体网格体网格 生成生成 执行计算执行计算结果处理结果处理 -13- 输入STAR-CCM+后，保持了装 配数据结构和部件的名称 SolidWorksSolidWorks的的树树状状结结构的构的总总装配数装配数 据据 -14- 替替换换一个部件一个部件后后 点点击击一个按一个按钮钮可以重新可以重新进进行模行模拟拟（网格生成到（网格生成到计计算）算） -15- CADCAD Repair

8、Repair MeshMeshSolveSolve AssessAssess TimeTime for for StepStep TotalTotal TimeTime StepStep OptimiseOptimise Critical 包面（包面（Wrapper）解决当前解决当前CFD分析的瓶颈分析的瓶颈 -16- -17- * *需要了解此部分具体内容请参加技术需要了解此部分具体内容请参加技术 讲座讲座 【A-9A-9】 ！ -18- 全面的网格功能 面网格： 面重构(surface remesh) 体网格生成 多面体，Trim, 四面体 边界层网格 包面(wrapper) 表面重构 （

9、surface remesh) 体网格生成 （poly,trim,tetra) CAD（Parasolid, IGES, STEP, STL, Patran, Nastran ） 已经有了表面比较好的表面 -19- 和六面体网格一样精确，和四面体一样 容易生成（自动生成） Vs 四面体 更少更少的网格数的网格数 更快更快的收敛速度的收敛速度 网格依赖性网格依赖性更小更小 占用占用更小更小的内存的内存 Vs 六面体 容易生成，适应性更广容易生成，适应性更广 -20- 类型生成难度数量精度适用性 Hexa Tetra Trim Poly 差差好好最好最好 -21- 已成熟将多面体网格运用到工程计算

10、中 1. 直接生成多面体网格，可对网格进行灵活操作，比如加密等 2. 解算器的更新，基于面的求解器（Face-based solver）允许网格 有任何数量的面 (以往是基于单元中心)，所以对多面体网格处理和计 算没有物理模型的限制。 体单元理论上可具体单元理论上可具 有任意数量的面有任意数量的面 提高了自动化生提高了自动化生 成网格的效率成网格的效率 提升了网提升了网 格质量格质量 较少用户较少用户 干预干预 复杂几何复杂几何 的适应性的适应性 进入多面体网格时代，带来一系列方便和快捷 -22- CFD FLOW：流体解析 CFD/ FEA THERMAL：热解析 FEA STRESS：应力

11、解析 -23- FLOW-THERMAL-STRESS （流体/热/应力） * *需要了解此部分具体内容请参加技术需要了解此部分具体内容请参加技术 讲座讲座 【B-12B-12】！ -24- * *需要了解此部分具体内容请参加技术需要了解此部分具体内容请参加技术 讲座讲座 【G-14G-14】！ -25- SOUND PROPAGATION （声学解析工具） 1D FLOW NETWORK （1维流动工具） FUEL CELLS & BATTERIES （燃料电池电池） COMPLEX CHEMISTRY （详细化学反应工具） FEA STRUCTURE （有限元结构解析工具） -26- 全球

12、首个支持全球首个支持10亿网格的求解器亿网格的求解器 客户端(client) 服务端(Server) 可实现数百CPU并行计算 NACA 7亿网格 -27- 1. Field function 1.替代STAR-CD中UDF功能，简单的可以实现 2.实时边界条件设定，初期条件设定，源项设定，后处理等待 2. 自定义函数 1.C语言 2.Fortran 1 2 * *需要了解此部分具体内容请参加明天需要了解此部分具体内容请参加明天 技术讲座技术讲座 【B-8B-8】 ！ -28- 操作的记录和重复运行 1.Java1.Java宏命令的使用宏命令的使用 -29- 2.2.基于基于JavaJava宏

13、命令的优化分析宏命令的优化分析 Optimization simulationOptimization simulation ModefrontierModefrontier Make for prototype, validationMake for prototype, validation DOEDOESTAR-CCM+ simulation YesYes Make for prototype, validationMake for prototype, validation Get optimal designGet optimal design DepmorpherDepmorphe

14、r网格变网格变 形工具形工具 * *需要了解相关内容请参加技术讲座需要了解相关内容请参加技术讲座 【G-12G-12】和和【B-10B-10】 ！ 参数化参数化CADCAD -30- 客户化界面 对于专业应用定制一个界面 客户投入时间得到较大缩小， 效率较高 发动机稳态试验台模拟界面发动机稳态试验台模拟界面 环境外流模拟界面环境外流模拟界面 翼形模拟界面翼形模拟界面 -31- SurfaceSurface数据读入数据读入 求解域生成求解域生成 边界条件设定边界条件设定 MeshMesh生成生成 计算输出设定计算输出设定 计算设定计算设定 提取提取STAR-CCM+STAR-CCM+设定中的必要

15、部分设定中的必要部分 ，使其面板化；，使其面板化； 使用使用JavaJava，可以将外部数据导入，或者，可以将外部数据导入，或者 实现跟外部程序的结合；实现跟外部程序的结合； 可以设计面板，并自由设置其布局。可以设计面板，并自由设置其布局。 从从surfacesurface数据读入数据读入 到执行计算的整个到执行计算的整个 过程面板化的例子过程面板化的例子 * *需要了解此部分具体内容请参加明天需要了解此部分具体内容请参加明天 技术讲座技术讲座 【B-11B-11】 ！ -32- 建立新的模拟建立新的模拟 按下宏执行按钮按下宏执行按钮 打开启动自定义面板的打开启动自定义面板的JavaJava

16、宏文件宏文件 -33- 在在Step1Step1页面中，页面中， 点击点击键键，选择要读选择要读 入的表面数据；入的表面数据； 指定读入的数据的单位；指定读入的数据的单位； 点击点击ImportImport键读入数据。键读入数据。 同时，自动进行解析类型、同时，自动进行解析类型、 物性、湍流模型等的选择物性、湍流模型等的选择 -34- 在在Step2Step2页面中页面中，选择选择 BlockBlock，输入计算域两对角顶输入计算域两对角顶 点坐标；点坐标； 点击点击CreateCreate键生成计算键生成计算 域的壁面。域的壁面。 选择选择CylindricalCylindrical的情况的

17、情况 -35- 处理前处理前处理后处理后 在在Step3Step3页面，设定边界名和进气速度；页面，设定边界名和进气速度； InletInlet：Block FacesBlock Faces流速流速20m/s20m/s Pressure OutletPressure Outlet：Block Faces 6Block Faces 6 Slip WallSlip Wall：Block Faces 2, Block Faces 4, Block Faces 5Block Faces 2, Block Faces 4, Block Faces 5 Non Slip WallNon Slip Wall

18、：Block Faces 3Block Faces 3 点击点击ApplyApply键。键。 -36- 在在Step4Step4页面页面，设定设定base sizebase size、输入的面网、输入的面网 格尺寸以及边界区域面网格尺寸格尺寸以及边界区域面网格尺寸 点击点击Create BoxCreate Box键，打开网格密度控制面键，打开网格密度控制面 板。这里需要建立两个网格密度控制区域。板。这里需要建立两个网格密度控制区域。 输入相应参数之后，点击输入相应参数之后，点击CreateCreate。 -37- 点击点击GenerateGenerate生成网格。生成网格。 自动进行自动进行s

19、urface wrappersurface wrapper，surface remeshsurface remesh，和体网格的生成和体网格的生成 -38- 生成显示结果的截面生成显示结果的截面在在Section CreateSection Create选项中设定通过点的坐标选项中设定通过点的坐标 和法向向量，点击和法向向量，点击CreateCreate（可作多个可作多个）； 在在Plot OptionPlot Option选项中选择要显示的截面以及要显示的参数内容；选项中选择要显示的截面以及要显示的参数内容； 点击点击CreateCreate生成生成scenescene。 -39- 设置最大

20、迭代次数；设置最大迭代次数； 点击点击StartStart开始计算。开始计算。 -40- STAR-CCM+ STAR-CCM+ 物理模型简介物理模型简介 -41- 【流动流动解析解析】 F1F1尾翼空气动力学解析尾翼空气动力学解析 【非稳态解析非稳态解析】 方柱周围流动解析方柱周围流动解析 稳态非稳态（1阶隐式解法, 2阶隐式解法） 可压缩不可压缩 分离解法(segregated solver) 耦合解法(coupled solver) 层流湍流 k-系（Realizable, Standard（线性，非线性2次/3次）, AKN, V2F） k-系（Standard, SST, BSL）

21、Spalart-Allmaras RSM（线性Pressure-Strain, 非线性2次Pressure-Strain ） DES（Spalart-Allmaras, k- SST） LES（Smagorinsky, WALE） 近壁面处理（标准壁面函数，非平衡壁面函数，低雷诺数模型，混合壁面函数） 层流紊流转戾模型（-Re模型 by Langtry-Menter） 非牛顿流体 【可压缩流动解析可压缩流动解析】 马赫数马赫数1.91.9的的 火箭喷嘴流动解析火箭喷嘴流动解析 -42- 【固体热耦合固体热耦合】 热交换器翅片分析热交换器翅片分析 【流动解析流动解析】 歌剧院环境分析歌剧院环境分

22、析 多孔介质 多孔介质 多孔挡板 热耦合 流体热传导 固体热传导（等方性非等方性） 固体-流体之间的热传递 固体发热 浮升力（考虑重力） 辐射（型态系数计算，S2S法, DO法） 对应于多波段（S2S法，DO法） 气体辐射 太阳辐射 【多孔介多孔介质质】 热热交換器交換器内流内流动动解析解析 -43- 多相流：拉格朗日多相流 热传递，蒸发/凝结 喷嘴模型 阻力，湍流扩散，壁面冲击（粘附，反射） 侵蚀模型 多相流：自由表面流 考虑可压缩性，表面张力，接触角 热传递（包含固体热耦合），沸腾 气蚀模型 Rayleigh模型 【多多相流：自由表面相流：自由表面流流】 船体船体周围分析周围分析 【多多相

23、流：相流：拉格朗日拉格朗日】 车身污染物附着分析车身污染物附着分析 【多多相流：自由表面相流：自由表面流流】 水水/ /油油中的气泡上升分中的气泡上升分析析 【多多相流：相流：拉格朗日拉格朗日】 油雾分离分油雾分离分析析 【多多相流：相流：气蚀模型气蚀模型】 阀的气蚀分阀的气蚀分析析 -44- 【EBUEBU模型模型】 工业用气体燃烧器分析工业用气体燃烧器分析 【PPDFPPDF模型模型】 【辐射辐射：DODO法法】 玻璃熔炉燃烧分析玻璃熔炉燃烧分析 【PPDFPPDF模型模型】 氢燃烧器分析氢燃烧器分析 燃烧及化学反应 各种EBU模型 PPDF模型 Single Fuel，Multi Fue

24、l 火焰传播模型 CFM模型 Complex Chemistry (STAR/DARS-CFD) 气相反应，表面反应 排放 NOx模型（flamelet模型） -45- 【多重参考坐标系系隐式解法多重参考坐标系系隐式解法】 船舶用螺旋桨分析船舶用螺旋桨分析 移动边界 滑移网格 Dynamic Fluid/Body Interaction (DFBI) 6自由度的刚体运动 旋转机械解析功能 滑移网格 多重参考坐标系(MRF)系隐式解法 混合平面隐式解法 风扇模型 【多重参考坐标系多重参考坐标系隐式解法隐式解法】 【流体固体流体固体热耦合热耦合】 透平叶片透平叶片冷却冷却分析分析【多重参考坐标系隐

25、式解法多重参考坐标系隐式解法】 泵的分析泵的分析 【DFBIDFBI】 船体船体运动分析运动分析 【滑移网格滑移网格】 液力变矩器分析液力变矩器分析 -46- 流体噪音 流体/噪音耦合解析 （Virtual.Lab & ACTRAN) 凝固和融化 自由表面耦合解析 薄膜（Thin film）模型 除霜和除雾模拟 【除雾除雾解析解析】 挡风玻璃除雾分析挡风玻璃除雾分析 【除霜分析除霜分析】 挡风玻璃除霜分析挡风玻璃除霜分析 【自由表面解析自由表面解析】【】【融化和凝固融化和凝固】 离心浇注分析离心浇注分析 受受电电弓噪音分析弓噪音分析 -47- 应力解析 有限体积法的静态分析功能 （等方弹性体）

26、 假定微小变形 和流体分析同时计算 【流体固体流体固体热耦合分析热耦合分析】【】【应力分析应力分析】 发动机机体流动发动机机体流动- -热热- -应力分析应力分析 流体速度流体速度流体温度流体温度固体温度固体温度固体固体应应力力 -48- 行业应用简介行业应用简介 -49- Renault F1 空气空气动动力学力学 行业难点1：空气动力学模拟方面，要求很高的模拟精度 STAR-CCM+计算精度表现优异 08年欧洲年欧洲进进行空气行空气动动力学盲力学盲测测： ： STAR-CCM+优优于于对对手手软软件件 时间时间周期短周期短 -50- 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.

27、005 0.006 Test Vehicle Sedan Sedan Sedan Sedan Sedan SUV SUV Sports Car F1 Sports Car Sports Car Sports Car Sports Car Sports Car Sports Car Sedan Sedan Sedan Sedan Truck Sedan Small Car Sedan Net Cd STAR-CCM+ vs Experimental Data Net Difference in Drag Coefficient 50 阻力系数计算结果和实验的差别阻力系数计算结果和实验的差别 0.

28、005 0.005 甚至更小甚至更小 -51- 来自国外客户的评价（来自国外客户的评价（1 1）：）： High Performance Vehicles with STAR-CCM+High Performance Vehicles with STAR-CCM+ “The code itself is fast, robust and extremely easy to use so people new to the code can pick it up very quickly. I am continually impressed with CDadapco in terms of

29、support and their willingness to take on board development requests. Since introducing STAR-CCM+ a year ago we have managed to double our Since introducing STAR-CCM+ a year ago we have managed to double our throughput in terms of simulationsthroughput in terms of simulations. .” Jarrod Murphy, Head

30、of CFD, ING Renault F1 Team -52- 来自国外客户的评价（来自国外客户的评价（2 2）：）： Electric Vehicles: Tesla Motors Model S Electric Vehicles: Tesla Motors Model S 52 STAR-CCM+ helping to reduce drag to extend distance travelled. “Model S doesnt compromise on performance, efficiency or utility, and with Star-CCM+ for flui

31、d and thermal simulation at Tesla Motors there is no comprise when it comes to finding the right solutions quickly and efficiently.” Vince Johnston, Engineering Manager, Tesla Motors Tesla Motors Model STesla Motors Model S -53- Drag reduction of the Ford Fusion Drag reduction of the Ford Fusion Hyd

32、rogen 999 was a key element of the Hydrogen 999 was a key element of the successful world record attempt. successful world record attempt. “ “By taking advantage of CFD analysis, physical test times could be reduced and multiple configurations of the vehicle studied John W. Zaleski, Program Manager,

33、 Roush Industries. 来自国外客户的评价（来自国外客户的评价（3 3）：）： STAR-CCM+ helps Ford design the worlds fastest fuel cell carSTAR-CCM+ helps Ford design the worlds fastest fuel cell car -54- 行业难点2：部件多，紧凑，复杂 STAR-CCM+：wrapper和网格功能优异 Ford Mondeo 发动发动机机舱热舱热管理管理 * *需要了解此部分具体内容请参加明天技术讲座需要了解此部分具体内容请参加明天技术讲座 【A-12A-12】 和和 【

34、A-10A-10】！ 乘乘员舱员舱分析分析 HVAC分析分析 刹刹车车板冷却分析板冷却分析 周期在周期在12天完成一个天完成一个项项目！目！ -55- STAR-CCM+ STAR-CCM+ Mesh GenerationMesh Generation SolverSolver Post ProcessingPost Processing 行业难点3：开发周期短 STAR-CCM+：缩短时间，自动化功能 流程化流程化处处理理 -56- 卡车空气动力学分析卡车空气动力学分析 Single run, 40 Processors for 6 Yaw Angles: 7 hours 0 deg 2 d

35、eg 4 deg 6 deg 8 deg 10 deg “A clear advantage of STAR-CCM+ is the ability to run multiple Yaw angles cases with quick-turn-around time.” Reinhard Blanke, Commercial Vehicle Group, Daimler 02 4 6810 STAR-CCM+ Mesh Morpher -57- 庞巴迪公司用STAR-CCM+, Modefrontier, CATIA对列车头型进行优化设计 行业难点1：细长比较大，网格规模大 STAR-CC

36、M+: 大规模网格生成及计算功能 2008, optimization code. Each case took 4-6 hours to complete on 80 processors. -58- 亚亚音速跨音速超音速高超音速的全面解析音速跨音速超音速高超音速的全面解析 行业难点1：速度跨度大 STAR-CCM+: 对应超音速，跨音速的基于密度的耦合求解器表现较好 【A-9A-9】 -59- 空气动力学 车头的流线型设计 侧向风稳定性 隧道空气动力学 列车风 汇车压力波 气动噪音 受电弓 侧向风稳定性分析侧向风稳定性分析 隧道压力波分析隧道压力波分析 -60- Images courtesy of For further information visit www.icon-cg.co.uk 行业难点1：几何结构复杂 发挥STAR-CCM+特长 * *需要了解此行业具体内容请参加技术需要了解此行业具体内容请参加技术 讲座讲座 【G-10G-10】 ！ 空客空客A380乘员舱舒适性分析乘员舱舒适性分析 -61- 涉及：流动、传热、旋转机械 各种风机、风扇 泵及其它旋 转机械 -62- 裸船船模的船行波裸船船模的船行波 船体表面压力系数和波浪高度分布船体表面压力系数和波